基于钻孔的露天矿煤、岩一体化建模应用研究

ERKAYEV UMIDJON 刘光伟 马显帅

（辽宁工程技术大学，辽宁 阜新 123000）

目前关于露天矿智慧矿山建设的顶层方案不断提出[1-2]，一片百家争鸣的局面，国内露天矿建设的局势大好，但是在关注露天矿顶层设计的同时，我们也应意识到实现露天矿的三维地质精确建模是实现露天矿山智能化建设的基础，也是实现露天矿“透明地质”[3-4]的基础。采矿工程日常生产及设计的主要对象是地质矿床，处理的是复杂的地质数据，研究的是采矿工程布局、开采程序、开采工艺等[5]，以上所述均是以三维地质建模为基础的。露天矿三维地质模型构建的精确度直接影响到露天矿境界的圈定、开采工艺的选取、生产计划的编制等等，直接影响露天矿的经济效益。可以说，精准的三维地质模型的构建是露天矿智能化建设的起点。

1 钻孔建模方式

基于钻孔点的露天矿建模方式大概分为以下四步，首先就是对数据的核对、处理并将整理好的数据导入到建模软件中，接着利用处理好的数据进行煤层的顶、底板面和侧面的构建，然后依据封闭的顶、底板面和侧面进行煤层实体的生成。煤层实体模型建立好之后，利用实体的布尔运算实现岩层模型的建立，最终实现露天矿三维地质实体模型的建立。

1.1 数据的处理

首先需根据钻孔柱状图、剖面图、勘探线平面位置图等资料对钻孔数据进行了分析、处理并汇总，具体工作如下：

1.1.1 对钻孔柱状图、剖面图和勘探线位置平面图中的钻孔坐标进行核对和汇总。

1.1.2 根据钻孔中煤与夹矸的厚度，对每个钻孔中每层煤的含煤率进行计算并汇总，并将钻孔数据以表格形式进行汇总，其汇总的主要内容是：钻孔号、坐标（X、Y、Z），煤层编号、厚度及其相应的顶、底板标高，以及煤层的含煤率。

1.1.3 将整理所得的钻孔数据导入到建模软件中进行展点。

1.2 三维地质面模型的构建

露天矿的三维地质面模型的构建主要是顶板面模型、底板面模型和侧面面模型，其具体步骤如下：

1.2.1 顶、底板面模型的构建。

将已有数据转换为可用于模型构建的数据后，确定建模的边界，采用一定的插值方法进行插值后，利用带约束条件的Delaunay 三角网实现对于煤层顶、底板面模型的构建。

1.2.2 侧面面模型的构建。在煤层的顶、底板建模边界确定后，利用煤层的顶、底板边界线之间连接三角网实现煤层侧面面模型的构建。

1.3 三维地质实体模型的构建

地质体的实体模型构建是露天矿三维地质建模的中心，煤层的顶、底板面模型和侧面面模型建立好后，形成了一个封闭的空间，以包络面固化成体法[6]形成煤层实体模型。

1.4 三维地质模型的建立

首先利用与建立煤层实体相同的方法建立露天矿采场现状实体、断层等实体，再以采场现状实体模型为基础，与其它地质体运用布尔差计算来得到土岩层实体模型，从而形成对露天矿三维地质煤、岩实体模型的构建。

2 基于钻孔的煤、岩一体化建模方式

传统的露天矿建模中将煤层实体模型建立好之后，利用已建立的煤层实体等主要实体模型和露天矿现状实体模型进行布尔运算，即可得到岩土体的实体模型[7]，虽然这种建模方法实现了对于煤层等主要地质体的快速建模，但是对于岩土体的建模还是采取了一种“估算”的方式，并且认为其在地下的赋存是均匀的、单一的，但是这种认知直接和现场的钻孔数据揭露出来的地层岩性相悖。

因此，笔者提出一种基于钻孔的露天矿煤、岩一体化建模方法，在实现煤层精确建模的同时，将钻孔点所揭露出来的地层岩性也进行体现，实现岩层的精确建模。基于钻孔的露天矿煤、岩一体化建模，就是从钻孔数据整理开始，对岩层的信息进行和煤层信息同步的整理，接着采用类似煤层建模的方式对岩层也进行精细化建模，其具体的建模流程如图1。基于钻孔的煤、岩一体化建模方式是基于传统以煤层建模为主的建模方式的基础上提出的一种建模方法，此种建模方法在实现煤层精确建模的同时，也实现了对岩层的精确建模。此种建模方法对于煤层建模部分与前文所述相同，此处不再进行赘述，下面就基于该种建模方式中岩层的建模流程进行陈述。

图1 基于钻孔的岩层精细化建模流程

2.1 岩层地质数据的处理

首先对钻孔资料中钻孔的坐标进行核对，同时由于岩层的分布相较煤层而言更加不规则、连续性差、层位关系差，在整理岩层信息时可把较薄的岩层进行忽略和合并，如图2，将岩层的信息如岩性、岩层的顶、底板标高、岩层厚度都整理到统一的EXCEL 表中，进而在建模软件中进行展点。

图2 较薄岩层整理合并示意图

图3“分块建模”建模范围确定方法示意图

2.2 确定岩层建模范围

当某岩层在建模区内不是全区发育，或者是仅在局部发育时，此时对该岩层建模采用“分块建模”的方法，利用钻孔的影响范围（在建模区最外钻孔和其相邻不同岩层（煤层）的最外钻孔进行连线，取它们连线的中点依次进行连线，如图3），确定进行建模岩层的建模边界。

2.3 进行插值

现场打钻的数量相对于广阔的建模区而言太少，而且钻孔的位置具有一定的不均匀性，因此为了构建具有一定精度要求的三维地质模型就必须采用合适的插值方法，进行点的插值。

2.4 岩层面模型的构建

利用建模区域内岩层顶板的钻孔点、顶板建模区域边界线和顶板插值点，利用带约束条件的Delaunay 三角网来建立岩层顶板面模型，对于岩层的底板面模型的建立亦是如此。对于岩层侧面面模型的建立是利用岩层的顶、底板建模边界线间连接三角网来实现。

2.5 岩层面模型的检验

由于为了确定不同岩性钻孔的影响范围，采用在不同岩层的钻孔间进行连线，不同岩层的建模边界线由连线的中点依次连接而成，再利用连接好的边界线去参与建模，这就相当于在原来钻孔的基础上增加了新的控制点（连线的中点），这样会导致三角网的连接方式与直接利用钻孔点的三角网连接方式不同，从而导致岩层、煤层三角网可能出现相交的情况，因此对于煤、岩层接触面处岩层的三角网的构建进行检查、修改，再重新进行面模型的生成。

2.6 三维实体模型建立

利用岩层顶、底板面模型和侧面面模型构成一个密闭空间，确保“不漏气”，运用“固化成体”技术，实现岩层实体的生成。

3 基于钻孔的煤、岩一体化建模实例

某矿补勘数据的钻孔点分布如图4 所示，以SMCAD[8]为建模工具，采用煤、岩一体化建模方法，实现对6 煤和7 煤的煤层实体建模，同时建立两煤层之间的夹矸的岩层实体模型，最后利用建立好的模型拉剖面与相邻仅钻孔对比验证建模的精确度。

图4 建模区钻孔分布示意图

3.1 煤、岩实体模型的构建

对于钻孔信息进行检查核对无误后，将煤层和岩层信息整理到统一的EXCEL 表格中，将这些包含钻孔信息的所有表格导入到SMCAD 的数据库中，并利用其进行展点。

3.1.1 煤层实体模型的建立

首先确定6 煤和7 煤的顶、底板建模边界，然后选用一定的方法进行插值，利用顶板（底板）的插值点、钻孔点、建模边界线来实现顶板（底板）面模型的构建，再利用煤层顶、底板建模的边界线连接三角网实现煤层侧面面.模型的构建，最后利用煤层的顶、底板面模型及侧面面模型形成封闭的空间，实现6 煤和7煤的实体模型的建立。

3.1.2 岩层实体模型的建立

对于两煤层之间的夹矸的建模，采用“分块建模”的方法，根据展点情况利用不同岩性钻孔的影响范围，确定不同岩层建模边界，选用合适的插值方法完成插值后，利用“两点一线”（钻孔点、插值点，建模边界线）实现岩层顶、底面模型的建立，此时，要对建立的岩层面模型进行检验，若出现局部的建模情况与实际不符，要采取添加控制点和控制线的方式进行调整，最终实现岩层顶、底面模型的建立，也同样是利用顶、底面建模边界连接三角网，最后利用固化成体法实现不同岩层模型的构建。

3.2 煤岩体钻孔剖面对比

煤、岩实体模型建立好后，采用拉剖面与相邻钻孔点对比的方法检验建模的精确度。在煤岩实体模型内选择一个剖面1-1＇，如图5（a），此剖面的剖面图如图5（b），并在图5（b）选择了三个对比点与相邻的钻孔进行煤岩对比，对比情况如图5（c）。通过剖面上的对比点和附近实际钻孔揭露出来的煤、岩信息对比可以看出：煤、岩“一体化”的建模方式能较准确地实现对地层信息的描述和重现，提高了建模的精确度。

图5 煤、岩实体模型检验

4 结论

本文提出了一种基于钻孔的露天矿煤、岩一体化建模方法，可将钻孔揭露出来的地层信息进行最大程度的重现，实现了在SMCAD 中对煤、岩体的精确建模，同时通过这种“一体化”建模，在对露天矿的边坡进行稳定性分析时，能更好地对相应的岩体进行参数赋值、滑坡模式的预判、计算方法的选择等，从本质上提高边坡稳定性分析的准确度。但是本文的这种“一体化”建模方式是对岩层的赋存条件进行一定的处理后所得到的，在进行岩层信息整理时的整合过程存在人的主观能动性，一般还是经验主义为主，因此最终岩层的建模结果可能存在一定的差异，同时该种建模方式的建模速度相对来说还是较慢的，而且此种建模方式仅适用于基于钻孔的露天矿建模，对于基于勘探线的一体化建模方式还是在进一步的探索中。